Идентификация микропластика с помощью ИК-Фурье и Раман спектроскопии

Таблица 1: Распространенные полимеры (плотности, полученные из Teegarden2)

Микропластик, как понятно из названия, – это небольшой кусочек пластика размером <5 мм. Перечень самых распространенных полимеров, входящих в состав микропластика приведен в Таблице 1. Среди этих материалов полипропилен и полиэтилен особенно распространены в окружающей среде из-за их производства в огромных количествах для потребительской упаковки. Из полиэтилена производятся привычные для нас пластиковые пакеты, а из полипропилена изготавливают обертки для конфет и крышечек для бутылок. Эти полимеры плавают как в пресной, так и в соленой воде, что позволяет им путешествовать на большие расстояния от первичного источника загрязнения. Инфракрасные (ИК) и рамановские спектры полиэтилена и полипропилена показаны на рисунках 1 и 2 соответственно. Хотя и полиэтилен, и полипропилен являются простыми полиолефинами, их можно легко идентифицировать и различить как с помощью ИК-, так и с помощью рамановского спектрометра, которые являются общепринятыми методами в полимерной и пластмассовой промышленности.  Другие полимеры, перечисленные в Таблице 1, также можно идентифицировать с помощью ИК- и рамановского спектров.

Рисунок 1: ИК-спектры полиэтилена и полипропилена. 

Рисунок 2: Рамановские спектры полиэтилена и полипропилена.

Чтобы быть классифицированным как микропластик, кусок пластика должен быть небольшим. Но насколько? 

Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) определяет микропластик как имеющий длину менее 5 мм. Многие частицы, вызывающие беспокойство, имеют меньший размер, как правило от 100 мкм до 1 мкм. Это довольно широкий диапазон размеров; от объектов, которые легко заметны невооруженным глазом, до мелких частиц или волокон, которые можно увидеть только с помощью высококачественного микроскопа.

Некоторые виды микропластика намеренно разработаны таким образом, чтобы быть мелким. Это так называемый «первичный» микропластик. Первичный микропластик является объектом законодательного контроля. Примером является запрет в США на использование микрочастиц в средствах личной гигиены от 2015 года (H.R.1321). Другие виды микропластика изначально создаются в больших размерах, но со временем распадаются на меньшие частицы в окружающей среде. Они обозначаются как вторичный микропластик. Как первичный, так и вторичный микропластик, охватывая широкий диапазон размеров частиц, вызывают беспокойство из-за их потенциального влияния на морскую жизнь. Беспокойство относительно угрозы, которую представляет микропластик для здоровья организмов по всей пищевой цепи, возникает из-за поглощения морскими организмами, например, зоопланктоном, наличия токсичных материалов, используемых в производстве пластика, например, бисфенол-А (BPA) и транспортировки стойких органических загрязнителей (POPs) в микропластиковых емкостях.

Хотя как ИК-Фурье, так и Раман могут идентифицировать длинный список пластиковых материалов, проблема выбора прибора вступает в игру, когда речь идет о широком диапазоне размеров частиц. С уменьшением размера частиц возрастает сложность и стоимость оборудования необходимого для ее анализа. Поэтому в первую очередь при выборе соответствующего аналитического оборудования следует обращать внимание на размер микропластика при выборе соответствующей аналитической платформы. Эти и другие соображения будут обсуждаться далее параллельно с обзором и общими рекомендациями по спектроскопическим приборам для анализа микропластика.

Частицы в диапазоне размеров от 5 мм до 100 микрон видимы для глаза и могут быть собраны с помощью пинцета. Поскольку эти частицы можно легко увидеть и манипулировать ими, спектроскопическая система, необходимая для их анализа, является относительно простой. Самой распространенной спектроскопической техникой для анализа полимеров является ИК-Фурье спектрометр, совмещенный с аксессуаром для нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). НПВО позволяет получить ИК-спектр материала, просто прижав образец к прозрачному кристаллу, чаще всего алмазу. Инфракрасный свет проходит через кристалл в образец, где энергия поглощается образцом и свет отражается обратно в кристалл для получения спектра. 

Рисунок 3: ИК-Фурье спектрометр Nicolet Summit с ППВВ аксессуаром iD7 ATR в кюветном отделении.

На рисунке 3 показан Спектрометр Thermo Scientific Nicolet Summit FTIR, оснащенный Thermo Scientific iD7 Diamond ATR. Бриллиант имеет диаметр несколько мм и не требует полного покрытия образцом, что делает его идеальным для анализа в этом диапазоне размеров. Единственной оговоркой при измерении с ППВВ приставкой является то, что он обнаруживает материалы, которые находятся на поверхности образца. Это полезно, если интересует поверхностное покрытие, например, абсорбированный токсин. Однако, если образец выветрился (имеет неровную поверхность), это может препятствовать его идентификации. В таком случае перед анализом поверхность следует удалить путем срезания или полировки.

ППВВ аксессуар, изображенный на рисунке 3, не позволяет рассматривать образец после того, как он был зажат между кронштейном и алмазным кристаллом. Это не является проблемой при работе с образцами размером от 5 мм до 1 мм. Однако, для образцов меньшего размера, желательно иметь возможность видеть образец во время его размещения на аксессуаре и последующего измерения. Существуют ППВВ аксессуары, которые могут обеспечить просмотр и увеличение, облегчая анализ образцов в диапазоне от 1 мм до 70 микрон. Примером такого аксессуара является прибор для микроспектроскопии Czitek SurveyIR®, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. ИК-Фурье спектрометр Nicolet Summit с аксессуаром SurveyIR® в кюветном отделении.

ИК-Фурье спектрометр с ППВВ аксессуаром является простым в использовании и относительно недорогим. Кроме того, малый форм-фактор спектрометра Nicolet Summit позволяет перемещать его близко к месту сбора и исследования микропластика для дальнейшего изучения. Это может быть преимуществом при проведении экологических исследований, проводимых за пределами лаборатории.

Когда размер частиц уменьшается ниже 100 микрон, возникает потребность в дополнительном увеличении. Здесь есть два варианта: ИК-микроскопия и рамановская микроскопия (оба метода также называют микроспектроскопией). Следует отметить, что для частиц размером менее 10 микрон рамановская микроскопия является лучшим выбором.

Инфракрасная (ИК) микроскопия позволяет идентифицировать частицы размером до 10 микрон или меньше. Существует несколько вариантов ИК-микроскопии с точки зрения как используемой техники отбора образцов, так и с точки зрения степени автоматизации анализа. Методы отбора образцов, используемые в инфракрасной микроскопии включают пропускание, отражение и НПВО. Пропускание обычно приводит к получению спектров наилучшего качества, но часто требует, чтобы образец был прессован или иным образом обработан до толщины менее 100 микрон для того,  чтобы инфракрасный свет мог пройти сквозь образец. Отражение, в принципе, является самым простым методом, поскольку он не требует подготовки образца или взаимодействия между микроскопом и образцом. Однако, это может привести к искажению спектров, что может затруднить идентификацию полимерных компонентов. Метод НПВО работает так, как описано в предыдущем разделе. Недостатком использования НПВО приставки в тандеме с микроскопией является потенциальная возможность перекрестной контаминации между последовательными измерениями, поскольку элемент НПВО приставки контактирует с образцом. Это не является проблемой для ручных НПВО-систем, где кристалл легко очищается между измерениями. Однако, в автоматизированных микроскопических системах, в которых кристал НПВО приставки вступает в многократный контакт с образцом без очистки между измерениями, перенос образца может представлять проблему. Поэтому выбор метода отбора образцов в значительной степени зависит от природы образца.

Степень автоматизации, доступная при работе с инфракрасным микроскопом варьируется от простого анализа одной точки до полностью автоматизированной визуализации, охватывающей большую площадь образца с измерением нескольких частиц.

На рисунке 5 показан инфракрасный микроскоп Thermo Scientific Nicolet iN5 в тандеме с ИК-Фурье спектрометром Nicolet iS20 FTIR. Этот ИК-микроскоп имеет возможность наведения и съемки, что упрощает его эксплуатацию.

Изображение 5. ИК-микроскоп Nicolet iN5 в сочетании с ИК-Фурье спектрометром Nicolet iS20.

Примеры спектров микрочастиц первичного микропластика в потребительских товарах, полученные с помощью этого ИК микроскопа показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Спектры микрочастиц, полученные на микроскопе Nicolet iN5 IR. Все спектры соответствуют полиэтилену. Спектр голубой сферы также указывает на присутствие сульфата бария.

Точечный или одноточечный анализ идеально подходит в случаях, когда нужно найти и проанализировать небольшое количество частиц. Стоимость этой системы относительно низкая и, благодаря небольшому количеству элементов управления, ее легко освоить и использовать. Однако, если необходимо проанализировать большое количество частиц, желательно наличие автоматизации. Фильтрация часто используется как завершающий этап в изоляции микропластика от матрицы. Большое количество частиц может быть захвачено на поверхности фильтра, где анализ этих отфильтрованных частиц одна за другой является довольно трудоемким процессом. Сбор и анализ данных можно автоматизировать с помощью микроскопа, оснащенного специальным программным обеспечением. Микроскоп Thermo Scientifiс Nicolet iN10 MX FTIR Imaging, изображенный на рисунке 7, в состоянии предоставить этот уровень автоматизации.

Рисунок 7: ИК-микроскоп Nicolet iN10 MX FTIR с комплектующими ATR.

Существует два основных подхода к сбору данных с частиц, распределенных по фильтру.

Первый – это дискретный анализ частиц. В этом подходе анализ изображения выполняется на видеоизображении фильтра для определения положения частиц. После этого система автоматически собирает инфракрасные спектры с каждого места и идентифицирует каждую частицу по ее спектру. Второй подход – визуализация. В этом случае инфракрасное изображение собирается со всей области интереса, в котором каждый пиксель содержит инфракрасный спектр. Это дает химическую «картину» фильтра. Автоматизированный анализ этого изображения с помощью программного обеспечения может предоставить информацию о типе, количестве и размерах отдельных частиц. Такой анализ показан на рисунке 8. 

Рисунок 8. Химические изображения фильтра (слева), полученные с помощью Nicolet iN10 MX FTIR Imaging Microscope, на которых идентифицированы полиэтилен (PE) и полистирол (PS), а также статистика размеров частиц.

Здесь два типа частиц идентифицированы по их инфракрасным спектрам. Анализ изображения предоставляет информацию о количестве и размерах частиц. Хотя это решение является достаточно изящным, оно имеет некоторые недостатки по сравнению с дискретным анализом частиц. Во-первых, изображение может содержать значительное количество избыточных данных. Только небольшой процент содержимого изображения несет в себе информацию о частицах, а остальное – это фильтр. Поскольку изображение содержит по меньшей мере четыре измерения данных (х-позиция, у-позиция, спектральная длина волны и поглощение), размер «куба данных», содержащего многие тысячи спектров, может быть очень большим. Второй фактор заключается в том, что массивные детекторы, используемые для визуализации, дороже простых одноточечных детекторов, используемых для дискретного анализа частиц.  Выбор подхода зависит от того, 1) сколько частиц нужно проанализировать, 2) за какой промежуток времени и 3) какого размера площадь. К счастью, ИК-микроскоп Nicolet iN10 MX является универсальным и подходит для всех режимов отбора образцов и автоматизации.

Как рамановская, так и ИК-спектроскопия способны идентифицировать микропластик. Однако рамановская спектроскопия имеет три четких преимущества в применении к микроскопии. Во-первых, она использует в качестве источника света лазеры с субмикронной длиной волны и, таким образом, способна различать частицы размером до 1 микрона и меньше. ИК-микроскопия использует средне-инфракрасный луч в качестве источника света, в результате чего диапазон длин волн теряет способность идентифицировать частицы намного меньше 10 микрон. Вторая причина заключается в том, что, в отличие от ИК-систем, рамановские микроскопы построены на основе микроскопов исследовательского класса с применением белого света, что облегчает наблюдение за частицами. В-третьих, это простота отбора образцов. Нет необходимости выбирать между методами пропускания, отражения и НПВО, необходимыми при ИК-Фурье измерениях. Лазер рамановской системы фокусируется на образце, и спектр получается просто путем сбора рассеянного света.

Теперь давайте поговорим о минусах рамановской микроскопии при анализе микропластика. Чтобы сбалансировать преимущества, есть три ключевых недостатка рамановской микроскопии. Первый – это объем знаний. ИК-спектроскопия существует дольше, чем раман как общий аналитический метод, и она развивалась по мере роста полимерной промышленности. Таким образом, существует большее количество исторических данных об ИК-спектроскопии, чем о рамановской для анализа полимеров. Однако со временем этот разрыв уменьшается, и, безусловно, существует достаточно эталонных спектров для идентификации распространенных микропластиков. 

Во-вторых, это стоимость. Как правило, из-за стоимости компонентов рамановские системы исследовательского класса дороже их инфракрасных аналогов. Третий недостаток – флуоресценция. Некоторые образцы проявляют флуоресценцию при облучении лазером. Флуоресценция может уничтожить полезный аналитический рамановский сигнал. Этот недостаток можно устранить путем подбора соответствующей длины волны лазера, но флуоресценция образца является проблемой, которая не встречается в ИК-микроскопии. Несмотря на это, рамановская микроскопия все еще остается идеальным методом для частиц размером менее 10 мкм благодаря длине волны зондирующего излучения.

Как обсуждалось выше, варианты отбора образцов для рамановской микроскопии, как правило, более тривиальны. В отличие от ИК-микроскопии, где качество спектра критически зависит от техники отбора образцов, рамановская микроскопия просто измеряет свет, рассеянный от образца, без специального отбора. Основные соображения относительно рамановской микроскопии связаны с выбором лазера, который влияет на мощность сигнала и флуоресценцию образца. Как и в случае с ИК-микроскопией, рамановская микроскопия предлагает выбор вариантов автоматизации, от простого наведения и съемки для дискретного анализа частиц до высокоскоростной визуализации. Рамановский микроскоп Thermo Scientific DXR3, показанный на рисунке 9, является примером полностью автоматизированной системы рамановской микроскопии.

Рисунок 9: Рамановский микроскоп DXR3 для анализа микропластика.

Как и в случае с ИК-микроскопией, стоимость, сложность и изощренность анализа данных возрастает со степенью необходимой автоматизации. Анализ микропластика на фильтре рамановским методом показан на рисунке 10.

Рисунок 10: Пример анализа микропластика с помощью рамановского микроскопа DXR3xi. (А) Видеоизображение глиноземного фильтра с микропластиковыми частицами; (B) Химическое изображение фильтра с микропластиковыми частицами; и (C) Спектр одной из желтых частиц по сравнению со спектром полипропилена из библиотеки.

В заключение, ИК-Фурье и рамановская спектроскопия являются мощными аналитическими инструментами для обнаружения микропластика в окружающей среде и бутилированной воде. Существует много решений, от простых устройств «наведи и сними» до сложных систем визуализации. Выбор системы зависит от размера исследуемых частиц, места проведения анализа и степени автоматизации. Обобщенная информация о выборе прибора приведена в Таблице 2.

Таблица 2: Аналитические инструменты для анализа микропластика.